摘要：随着我国内河航运的快速发展，以柴油和燃料油为主要燃料的船舶在运行的过程中产生大量的废气污染，燃油的泄漏造成了沿江流域严重污染。面对环保以及竞争的压力，液化天然气作为新兴的船用动力燃料日益受到航运业的关注和青睐。与传统燃油相比，LNG 作为船用动力燃料具有续航能力好，绿色无污染，运营成低本，安全系数高以及供应市场稳定的优势。尽管其在我国应用和推广依然面临很多挑战，但是随着能源的消耗、技术的发展、法规的严格、基础设施的完善，LNG 相对于石油燃料的优越性会愈加明显，带来的效益也会更加可观，船舶以 LNG 为动力燃料将是大势所趋。
关键词：LNG燃料；船冷能；利用技术开发；工程化
引言
目前，船舶燃料油价格较高，且其燃烧排放物中有害气体的含量难以满足国际公约有关规定，因此寻找合适的替代能源迫在眉睫。液化天然气（Liq-uified Natural Gas，LNG）能够弥补燃油的不足，近几年大有取而代之的趋势，内河方面出现了非常多的小型 LNG 动力船，远洋方面也出现了大型 LNG 动力船（如：北欧有许多大型近海 LNG 动力船，美国TOTE 公司订造的大型 LNG 动力集装箱船即将下水）。大型 LNG 动力船消耗的 LNG 的量比较大，这些 LNG 需要在气化后送到船舶主机、副机和锅炉燃烧，气化到常温气体的过程中会释放出 830 ～ 860kJ/kg 的冷能。
1.LNG 燃料船冷能利用初步分析
结合 LNG 船舶及现有的 LNG 冷能利用技术特点进行分析，将 LNG 冷能用于发电、冷库、制冰、空调、海水淡化等具有 LNG船舶实施可行性。然而，LNG 冷能用于发电，其设备造价及维护运营成本都要高于其发电的效益，经济效益不好；LNG 冷能用于海水淡化，制淡设备所需的占地面积较大，船的空间位置比较有限，难以实现。LNG 冷能用于制冰，一般用于水产保鲜常用块冰，而块冰机占地大，同样难以建设。一般的食品补给或捕鱼船舶都有对冷能有大量需求，目前船舶制冷的方法基本靠燃料发电，再使用电压缩机制冷，这种制冷方式需要大量的燃料来发电制冷，工序复杂，转化过程中，功耗损失大，同时消耗船舶油箱中一部分燃料，使得运营成本增加，经济效益降低。综上所述，将 LNG冷能应用于船上比较可行的就是 LNG 冷能用于冷库及冷水空调。
2.冷能利用装置的设计
2.1冷量的比较计算
为使 LNG 燃料的冷能利用到船舶冷库或空调中，首先要计算出 LNG 的冷能、船舶冷库和空调需要的制冷量，验证 LNG 的气化冷能是否满足系统中冷库和空调的需求。LNG 的冷能根据表 1 中每天消耗的 LNG 燃料求出。
Q LNG = m•ΔH v（1）
（式（1）中：Q LNG 为每天 LNG 气化产生的冷能；m 为每天 LNG 的消耗量；ΔH v 为 LNG 的气化潜热。得出Q LNG 为 3． 213 ×10 7 kJ。
通过查阅船舶实际数据，根据经验估算，船舶冷库压缩机的平均运行负荷为 10 kW（相当于连续运行的负荷），船舶空调压缩机的实际运行功率为40 kW，可求出每天的总制冷量为
Q 总 = 24 × 3 600（P 冷库 + P 空调）μ（2）
式（2）中：Q 总 为每天空调和冷库的总制冷量；μ 为制冷系数，通常为 3 ～4，取最大值；P冷库为冷库平均功率；P 空调为空调的运行功率。得出Q 总为1．736 8 ×10 7 kJ。
由式（1）和式（2）的计算结果可看出，每天 LNG气化产生的冷能远大于冷库和空调需要的制冷量，即使考虑到高压下 LNG 的气化潜热值会略微变小，也不会影响到两者的大小关系，且 LNG 的气化温度远低于冷库和空调的温度。因此，LNG 气化升温的冷量完全可以满足船舶冷库与空调系统的要求。
2.2 LNG 冷能梯级利用方案设计
通过计算不同温段下 LNG 释放冷量，并与船舶空调、船舶冷库和船舶海水淡化装置所需冷量进行对比。结果表明，在 LNG 相关大型远洋商船开展冷能利用，LNG 冷量可完全满足海水淡化装置、船舶空调和船舶冷库的冷量需求，且有较大富余，因此 LNG 相关船舶上可实现 LNG 冷能的梯级利用，且还可考虑将富余的冷量用于低温冷能发电。根据船舶工况的特点和能量品级的利用原则，并结合船舶热源，确定了如图1 所示的冷能梯级总体利用方案。
图1 LNG冷能梯级利用总体方案设计
2.3低温冷冻法海水淡化装置设计
根据大型远洋船舶的淡水需求量和 LNG 供应情况，设计了一种基于间接冷冻法 LNG 冷能海水淡化工艺。通过 Aspen HYSYS 进行工艺模拟计算，采用㶲分析的方法，对工艺方案进行模拟优化，得到合理的工艺参数。针对设计工艺，设计了一套包含换热器、结晶器、转筒、收集桶、驱动装置等部件在内的利用 LNG 冷能进行海水连续冷冻淡化装置，如图 2 所示。该装置设计产水 24t/d，采用 LNG 冷能使海水淡化结晶，洗涤融化后产生淡水。除海水结晶后的冰晶融化需要消耗少部分能量外，其他部分几乎不消耗电能，全面减小了设备能耗。
图2 LNG冷能的海水淡化工艺流程
3.结束语
LNG 燃料船在使用过程中的冷能利用，既能充分利用 LNG气化过程中所产生的冷能，又能减少船上制冷所需的燃料，降低功耗；同时可减少制冷压缩机、冷凝器、节流装置及各种辅助设备，节省了原制冷装置的大量投资费用，明显减少压缩式制冷装置工作时所需要的运行电耗。LNG 冷能的充分利用，在一定程度上减少对海水、河水的冷污染，对周边环境起着积极有效的作用。将 LNG 冷能用于船舶用冷项目，不仅符合国家节能减排政策，而且可为船舶企业带来一定的经济效益。基于此，应该加快并大力开展 LNG 燃料船舶冷能利用在我国的推广应用，以充分体现其社会价值及产业价值。
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论文作者:罗祧,李源
论文发表刊物:《基层建设》2018年第17期
论文发表时间:2018/7/25
标签：船舶论文; 冷库论文; 燃料论文; 空调论文; 装置论文; 动力论文; 梯级论文; 《基层建设》2018年第17期论文;